關(guān)于汽車螺栓類零部件斷裂失效的探討

王崢 呼嘯 谷陽陽

摘 要：汽車螺栓類零部件斷裂失效在零部件失效中占有較大比例，危害較為嚴(yán)重。本文通過列舉了汽車螺栓類零部件斷裂失效的實(shí)際鑒定案例，得出此類斷裂失效一般是以疲勞斷裂形式較為常見，探討了螺栓類零部件斷裂失效的鑒定技術(shù)，分析其斷裂失效原因、特征和規(guī)律，從而找出事實(shí)真相，為司法鑒定中心進(jìn)行科學(xué)、

公正地鑒定工作提供技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞：斷裂失效；疲勞斷裂；螺栓類零部件；鑒定技術(shù)

1 前言

螺栓類零部件是汽車緊固件中最重要的零部件之一，通常以斷裂失效的形式出現(xiàn)。汽車螺栓類零部件斷裂失效在中心開展的鑒定業(yè)務(wù)中占有較大比例，危害較為嚴(yán)重，甚至引起較大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行失效分析，研究汽車零部件喪失其功能的原因、特征和規(guī)律，找出責(zé)任，為進(jìn)行科學(xué)、公正地鑒定工作提供技術(shù)支撐。

對(duì)于零部件斷裂失效的分析通常是通過斷口分析來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閿嗫诳偸前l(fā)生在金屬組織中最薄弱的地方，忠實(shí)地記錄了金屬斷裂時(shí)的全過程，即裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展直至開裂；尤其記錄著裂紋擴(kuò)展的途徑、擴(kuò)展過程及內(nèi)外因素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響 [1]。因此，通過對(duì)斷口形貌特征等信息的分析，可以分析材料組織和性能，確定斷裂失效模式，找出斷裂的原因及影響因素，得出鑒定結(jié)論。

2 汽車螺栓類零部件斷裂案例

通過大量的相關(guān)交通事故和質(zhì)量事故中汽車螺栓類零部件斷裂失效案例，總結(jié)常見螺栓斷裂失效的規(guī)律，探討汽車螺栓類零部件斷裂失效的鑒定技術(shù)。

某使用 4年的小型載貨汽車，在某次檢修過程中，前輪的輪胎螺栓發(fā)生斷裂，與螺母一起掉落下來。該螺母是貨車在使用過程中斷裂的還是檢修工人的誤操作造成的呢，如果是對(duì)行車安全存在威脅，就應(yīng)引起我們的高度重視。

對(duì)其進(jìn)行宏觀檢視，照片如圖 1所示，螺栓表面較為光滑，螺栓未見明顯變形，斷裂位置為螺桿中下部的螺紋處。觀察斷口宏觀形貌如圖 1a所示：斷口右上角螺栓邊緣顏色較深，較為平坦、光滑、細(xì)密，有向外發(fā)射疲勞弧線的中心，認(rèn)定為疲勞源；由疲勞源向中心的弧線區(qū)域斷面較平坦，有向外輻射的放射狀條紋（如圖 1b），與疲勞弧線相垂直，顏色介于源區(qū)與瞬斷區(qū)之間，宏觀特征是海灘花樣或貝殼花樣，此區(qū)域認(rèn)定為疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)，該區(qū)域的形成可能是在汽車開動(dòng)、停止或負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)造成的。斷面其余邊緣突出的部位存在較為尖銳的茬口，認(rèn)定為瞬時(shí)斷裂區(qū)。綜上所述，該斷口具有典型的疲勞斷口形貌特征，此輪胎螺栓為疲勞斷裂失效形式。

此輪胎螺栓主要受軸向拉力的作用，產(chǎn)生了裂紋源及裂紋擴(kuò)展區(qū)，最后瞬時(shí)斷裂區(qū)是受到一定的扭力作用導(dǎo)致的。經(jīng)分析，在加工的螺紋處存在細(xì)小的微裂紋，在拉力的作用下形成了裂紋源，裂紋源繼續(xù)受拉力的作用，裂紋前沿繼續(xù)向前擴(kuò)展，所受拉力越來越小直至為零，裂紋前沿將不再擴(kuò)展。由于輪胎螺栓是 6個(gè)螺栓共同作用，即便此螺栓存在裂紋不能工作，依靠另外 5個(gè)螺栓也能固定輪胎繼續(xù)使用。如果螺栓是在汽車行駛中發(fā)生斷裂，那么螺栓帶螺母就會(huì)在斷裂的瞬間脫落，更不會(huì)出現(xiàn)照片上瞬斷區(qū)的扭力痕跡，所以，該螺栓應(yīng)該是在檢修前產(chǎn)生的裂紋，在檢修過程中受拆卸扭力的作用，最終斷裂而掉落下來。

認(rèn)定結(jié)果：該螺栓在檢修前產(chǎn)生的裂紋，在檢修過程中受拆卸扭力的作用，最終斷裂而掉落下來。

裂紋源位于螺栓表面、次表面小區(qū)域，為多源裂紋。中部平滑區(qū)的貝紋線表示裂紋前沿在間歇擴(kuò)展時(shí)的依次位置。瞬斷區(qū)的斷口為纖維狀、暗灰色，自由表面斷面中心非對(duì)稱。瞬斷區(qū)面積越大，越靠近中心部位，工件過載程度越大，瞬斷區(qū)面積越小，越靠近邊緣，工件過載程度越小。根據(jù)上述斷口特征大致可判斷轉(zhuǎn)軸屬于低載荷下，在尖缺口高應(yīng)力集中條件下的軸向拉伸疲勞斷裂。螺紋處受機(jī)械加工等的影響，存在微細(xì)小的裂紋造成應(yīng)力集中，形成裂紋源，螺栓繼續(xù)受軸向拉力作用，形成裂紋擴(kuò)展區(qū)，最后斷裂。

認(rèn)定結(jié)果：該螺栓在使用中受持續(xù)軸向拉力作用，產(chǎn)生疲勞斷裂，并非由于事故造成的斷裂。

3 螺栓類斷裂鑒定技術(shù)的探討

疲勞斷裂是在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。一般疲勞斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載下材料的 σ b低，甚至比 σ0.2低很多，斷裂前無明顯的塑性變形，是一種低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象。疲勞斷裂是損傷累積過程的結(jié)果，是與時(shí)間相關(guān)的破壞方式。其疲勞抗力不僅取決于材料本身特性，而且與其形狀、尺寸、表面質(zhì)量、服役條件環(huán)境等密切相關(guān) [3-4]。

根據(jù)上述螺栓類零部件的鑒定案例可知，汽車螺栓類零部件斷裂失效一般是以疲勞斷裂形式較為常見，在汽車金屬零部件斷裂失效中有 70%～ 80%的為低應(yīng)力高周疲勞斷裂 [5]。針對(duì)螺栓類零部件斷裂失效的鑒定，首先要調(diào)查與背景信息收集，然后對(duì)斷裂失效零部件宏觀觀察，檢視失效零部件的整體外觀及破壞部位形貌，還可做材料方面的檢測(cè)分析，如成分、金相組織、力學(xué)性能及微觀斷口分析，再對(duì)失效零部件工作狀態(tài)分析，如受力種類、方向等，進(jìn)而判定材料斷裂失效模式，通過推理判斷、科學(xué)分析可進(jìn)一步得出鑒定意見，為找到事實(shí)真相作出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語

螺栓類零部件斷裂失效在汽車交通事故和質(zhì)量事故中較為常見，而根據(jù)上述螺栓類零部件案例，汽車螺栓類零部件斷裂失效一般是以疲勞斷裂形式較為常見。針對(duì)螺栓類零部件斷裂失效的鑒定，需要深入細(xì)微的觀察并加以綜合分析，判斷零部件的失效性質(zhì)（模式），總結(jié)規(guī)律然后對(duì)失效件的設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝和實(shí)際使用條件等進(jìn)行綜合判斷，得出分析鑒定的結(jié)果，可為生產(chǎn)、使用或維修中采取有針對(duì)性的改進(jìn)與預(yù)防措施提供理論依據(jù)，防止同類斷裂失效再次出現(xiàn)，提高汽車行駛的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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[5] Robert H. Nath，Jay G. Saxton and Mark T. Everly. Automotive Component PerformancePrediction：Evaluating Component Nondestructive Test Methods in Terms ofCorrelationto Failure Test Results[J] ，SAEPAPER， 2008，01：0847.